區域土壤Cd和Cr空間分布的影響因素研究①

張 慧，馬鑫鵬，史曉磊，隋虹均，蘇 航，楊 歡

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區域土壤Cd和Cr空間分布的影響因素研究①

張 慧，馬鑫鵬*，史曉磊，隋虹均，蘇 航，楊 歡

(東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030)

以種糧大縣肇源為研究區，對土壤表層Cd、Cr兩種元素水平空間變異及分布特征的影響因素進行深入探討。結果表明：①肇源縣土壤表層重金屬Cd和Cr的平均含量分別為0.078、46.006 mg/kg，略高于松嫩平原土壤背景值。表層土壤Cd的塊金效應為0.432，具有中等程度的空間自相關性；表層土壤Cr的塊金效應為0.227，存在強烈的空間自相關性。Cd、Cr元素的空間自相關表現出較為明顯的各向異性，均在45°(東北-西南)和135°(東南-西北) 方向上空間自相關最強烈。②表層土壤和成土母質中Cd和Cr元素含量相關分析結果顯示，相關系數分別為0.167、0.639，在＜0.01水平上顯著相關；不同成土母質類型區域表層土壤中Cd和Cr元素含量的方差分析結果顯示，方差齊性檢驗顯著性分別為0.627和0.975，表明成土母質是表層土壤重金屬元素Cd和Cr水平空間分布的主要影響因素。③研究區內表層土壤Cd和Cr元素的空間分布還受土壤類型、pH、土地利用及覆被類型的影響。

重金屬；Cd；Cr；空間分布；影響因素

土壤重金屬是一種隱蔽性強、危害持久的污染物。土壤重金屬以不同的方式影響人類健康。農田重金屬污染可以通過農作物間接危害人體健康，而建設用地重金屬污染可通過大氣、水文等途徑危害人居環境。因此，土壤污染問題日益受到學者和管理者的關注。目前，國內學者對重金屬來源辨析、分布格局、污染評價、遷移擴散、修復技術以及管理法規等方面進行了研究[1-6]，主要以解決污染問題為目標，側重于對已受重金屬污染的區域開展研究而對于重金屬污染預防的相關研究較少，尤其是對重金屬潛在污染或未受污染區域的研究較為匱乏。當前國家高度重視污染預防工作，國務院已于2018年開展了第二次全國污染源普查試點工作，重金屬污染源普查是其重要的組成部分。由此可見，重金屬污染預防意義重大，而對重金屬的空間分布特征以及影響因素研究是重金屬污染預防的重要前提，值得進行深入研究。

當前國內外學者對表層重金屬的空間分布特征及影響因素研究多見于典型農田、城市、菜地、礦區、公路、灌區等[7-12]，通常以單一的地類、地塊或者特定的污染源為主。這些研究主要分析特定的因素對表層重金屬空間分布特征的影響，但由于區域土壤表層重金屬含量受多種復雜因素的影響，自然因素(成土母質、成土過程)[13]、重金屬遷移(地形因子、土壤有機質及土壤pH)[14]、人為干擾(交通因素、生活垃圾以及工業排放)[15-16]等都能改變重金屬含量的分布格局，因此，考慮單一因素對區域(尤其是縣級以上尺度的區域)表層重金屬空間分布的影響是不夠全面的，不能真實地反映出區域表層重金屬的空間分布特征。考慮以上各方面存在的問題，在對區域表層重金屬空間分布特征進行研究時，需要綜合、全面地考慮各類影響因素，才能為政府部門進行針對性的重金屬防治以及治理工作提供指導。

松嫩平原是我國重要的商品糧生產基地，土壤健康狀況對我國的糧食生產和食品安全有著重大影響，對該區域內表層土壤重金屬空間分布的主控因素研究顯得非常重要。重金屬Cd和Cr易于在水稻中遷移[17]，對糧食安全的威脅更大，因此，對這兩種重金屬元素空間分布的影響因素進行研究備受重視。

本文綜合運用地統計和多元統計相結合的方法，對松嫩低平原農業大縣—— 肇源縣表層土壤重金屬Cd和Cr的空間變異特征進行深入分析，并結合深層土壤Cd和Cr含量，對比分析表層兩種元素空間分布格局的主要影響因素，同時嘗試利用表深層Cd和Cr含量差值及空間分布格局與土壤類型、土地利用類型、地形指標、土壤有機質、土壤pH、交通以及居民點等的關系進行定性和定量分析，從整體到局部全面分析影響表層Cd和Cr分布格局的相關因素，以期為研究區土壤重金屬污染的防治提供理論基礎，為產糧大縣的糧食安全、土壤保護、作物合理種植及農業區域規劃提供指導。

1 研究區概況

肇源縣隸屬于黑龍江省大慶市，地處45°23′ ~45°59′ N，123°47′ ~ 125°45′ E，位于松嫩平原南部、松花江北岸，總面積4 198 km2，下轄8個鎮、8個鄉。研究區成土母質主要以第四紀泥砂質湖積物和泥砂質河谷沉積物為主(圖1)。土壤類型復雜，主要包括黑鈣土、鹽土、沼澤土、草甸沼澤土、草甸黑鈣土、草甸土等。氣候類型屬于溫帶大陸性氣候，四季分明，光照條件良好，冬季寒冷干燥，溫差懸殊，年均降水量在600 mm左右，水源豐沛。地勢低平，西北高東南低，北部高南部低。土地利用類型主要以耕地、水域及水利設施用地、草地、其他土地為主，約占研究區面積的77%。肇源是全國商品糧基地縣，第一產業占全縣比重較大，區內交通便利，鐵路和高速路(通讓線和大廣高速)從縣域南北穿過，高速G201、G203橫穿東西，第三產業發展迅速，但同時也在一定程度上造成了局部區域生態環境的污染。

圖1 肇源縣成土母質、土壤類型分布圖

2 數據來源與研究方法

2.1 土壤樣品采集及測定

在進行土壤樣品采集時，用4 km2的標準格網對研究區進行劃分，采樣點位于格網中心。表層土壤按每4 km2采集4個土樣，將4個土樣混合為1個土壤樣本，表層土壤樣本采集深度為0 ~ 20 cm，共采集土壤樣品1 031個；深層土壤樣品按每16 km2采集1個土壤樣本，采樣深度為180 ~ 200 cm，共采集土壤樣品259個(圖2)。

土壤重金屬Cr元素采用原子光譜吸收法測定；Cd元素采用石墨爐原子吸收分光光度法測定[18]。土壤有機質和pH的測定采用土壤農化常規分析方法檢測[19]。采用SPSS19.0軟件對數據進行統計分析。地形數據從國際科學數據共享平臺提供的30 m×30 m 的DEM數據(圖3)中獲取，其他數據來源于政府相關部門。

2.2 研究方法

2.2.1 地統計模型 地統計學中的半方差函數是土壤屬性空間變異特征研究中最有效的方法之一，也是進行土壤屬性空間插值的基礎[20]。本研究在 GS+9.0 軟件中主要對土壤重金屬Cd、Cr含量進行半方差函數擬合，半方差函數模型的公式為

圖2 研究區樣點分布圖

式中：為變異函數；N(h)是分割距離為h時的樣本點對總數；Z(xi)為Z(x)在空間位置xi處的實測值； Z(xi+h)是Z(x)在xi處距離偏離h的實測值。

2.2.2 克里格插值法 克里格插值法借助空間插值算法，可實現重金屬含量從點狀數據到面源信息的表達。普通克里格插值法從變量自身特點出發，考慮觀測點的整體空間分布情況、樣本點的空間相互位置關系及與待估計點的空間位置關系，是對待估點進行的一種無偏最優估計，并且能給出估計精度。本研究利用ArcGIS 10.0軟件分別對肇源縣表、深層土壤Cd、Cr兩種重金屬元素含量以及含量差值進行普通克里格插值，得到表、深層重金屬元素含量和含量差值在研究區范圍內的空間分布圖。

2.2.3 多元統計方法 相關分析就是對總體中確實具有聯系的指標進行分析，其主體是對總體中具有因果關系指標的分析，描述的是客觀事物相互間關系的密切程度。單因素方差分析是用來研究一個控制變量的不同水平是否對觀測變量產生了顯著影響。兩種統計方法都能很好地說明兩種事物之間是否存在聯系。本研究利用上述方法對表層Cd、Cr含量和相關的影響因素進行分析。

3 結果與分析

3.1 表層土壤重金屬含量描述性統計

統計分析結果(表1)表明，肇源縣表層土壤Cd和Cr平均含量略高于松嫩平原土壤背景值，說明該研究區在整個松嫩平原屬于Cd和Cr相對清潔的區域。與深層土壤重金屬含量相比，Cd和Cr均表現出表層含量的升高，分別是對應深層含量的1.2倍、1.14倍，表明該區域表層Cd和Cr都受到外界因素的干擾，且Cd元素受到的干擾大于Cr元素。變異系數反映總體樣本中各采樣點平均變異程度，結合一般變異程度分類評估標準，兩種元素變異系數分別為0.282和0.288，都屬于中等變異程度，表明自然因素、重金屬遷移及人為干擾可能影響了表層土壤兩種重金屬的水平空間分布。

表1 研究區表層土壤重金屬描述性統計分析

3.2 表層土壤重金屬空間分異特征

地統計學中的半方差函數既能夠描述區域化變量的結構性變化，又能描述其隨機性變化。通過 GS+9.0軟件對研究區表層土壤兩種重金屬含量進行地統計分析，得到兩種元素擬合的半方差函數模型及其參數(表2)。研究區表層土壤Cd、Cr元素的半方差函數模型擬合結果分別為指數模型和球狀模型；決定系數(2) 表示理論模型的擬合精度，兩種元素的決定系數都超過0.9，說明理論模型的選取是恰當的。塊金值(C0) 代表隨機性的可能程度，肇源縣表層土壤兩種元素含量塊金值分別為0.000 353、55.7，表明該區域存在不可忽略的生態過程或人為因素對表層土壤重金屬的空間分布產生影響。結構方差(C)代表系統因素，即本研究中代表土壤母質、地形地貌、土壤類型等自然因素引起的變異，基臺值(C0+C) 通常表示系統的總變異，是隨機性變異與結構性變異之和。塊金效應(C0/(C0+C)) 代表空間自相關性，揭示系統的空間異質性，可以反映影響因素中區域因素 (自然因素) 和非區域因素 (人為因素) 的作用。研究區表層土壤Cr元素的塊金效應＜0.25，說明它具有強烈的空間自相關性，即主要受到土壤母質、地形地貌、土壤類型等自然因素控制，而受人類干擾影響較小；Cd元素的塊金效應在0.25 ~ 0.75，具有中等程度的空間自相關性，說明其不僅受到成土母質等自然因素的影響，還受到人為因素的干擾。變程表示半方差達到基臺值時的樣本距離，又稱空間最大相關有效距離，研究區中兩種元素的變程分別為37.7、83.0 km，說明表層土壤Cd和Cr元素分別在不同尺度內存在較強的連續性。

表層土壤Cd元素具有中等程度的空間自相關性，而Cr元素具有強烈的空間自相關性，二者受自然因素影響均較大，因此有必要對研究區表層兩種重金屬進行更加深入的各向異性分析。在0°(北-南)、45°(東北-西南) 、90°(東-西)和135°(東南-西北) 方向上的半方差函數圖(圖4)表明：表層土壤Cd含量在間隔距離＜25 000 m時，各個方向的變異近似各向同性；在135°(東南-西北) 方向上，隨著間隔距離的增加，變異程度的變化幅度增大；在45°(東北-西南)方向上，間隔距離約在60 000 m處出現拐點，之后變異程度出現大幅度的減小；其他方向上的變異程度相對較小。

表2 研究區表層土壤重金屬含量的半方差函數理論模型及相關參數

表層土壤Cr含量在間隔距離12 500 m處，各個方向變異程度和變化趨勢接近，近似成各向同性；在0°(北-南)方向上，變異程度隨間隔距離增加變化幅度較為平緩，變異值在100左右起伏；在45°(東北-西南)方向上，變異值變化較大，間隔距離約在60 000 m處，出現拐點，之后出現急劇減小的趨勢；在90°(東-西)方向上，間隔距離約在35 000 m處，變異值達到最大，隨后變異值不再隨著間隔距離的增大而改變；在135°(東南-西北) 方向上，變異值隨著間隔距離的增加而不斷增加。

綜合分析表層兩種元素的各向異性，可以發現兩種元素分別在對應方向上的變化特征有相似的趨勢，在90°(東-西)和135°(東南-西北) 方向上，和研究區的成土母質(東南部主要為泥砂質河谷沉積物，西北部主要為泥砂質湖積物)有關；在0°(北-南) 和45°(東北-西南)方向上，主要和地勢變化相對較大、土壤類型豐富以及人口居住的疏密程度有關。

圖4 表層土壤重金屬Cd和Cr的各向異性半方差函數模型

3.3 表層土壤重金屬水平空間分布的影響因素

表層土壤重金屬水平空間分布主要受自然因素、重金屬遷移、人為干擾等因素的影響。其中在自然因素中成土母質起主導作用，而土壤類型是成土過程作用的結果，對重金屬的分布可能有一定的影響；重金屬遷移通常受地形地貌、土壤有機質、土壤pH、河流及氣候等因素的影響；在人為干擾中，人類活動范圍對局部重金屬分布產生一定的影響。考慮到縣域氣候的相對一致性以及數據的可獲取性，本研究選取成土母質與表層兩種元素含量進行分析。為了提高分析的精確性，排除不同成土母質的干擾，利用表、深層Cr和Cd元素含量的差值(表示為Cr_cz和Cd_cz)與土壤類型、土地利用類型、地形、土壤有機質、pH、人類活動、交通干擾等因素的關系進行分析。

3.3.1 主控因素 成土母質是表層土壤主要的物質基礎，其類型差異會直接影響表層重金屬含量。本研究取深度180 ~ 200 cm的土壤作為成土母質，通過分析表層和深層樣點的重金屬含量，能更準確地判定影響研究區表層土壤重金屬空間分布的主控因素是否為成土母質。

1)表層土壤和成土母質中重金屬空間分布格局的定性分析。研究區內兩種重金屬在表層和深層土壤中的空間分布均表現為明顯的空間自相關性，因此利用GS+9.0 軟件對表、深層兩種元素進行空間分布模型擬合，并根據不同的擬合結果利用ArcGIS 10.0 軟件進行插值分析。利用普通克里格插值對Cd、Cr兩種元素在表、深層土壤中的水平分異特征進行模擬，普通克里格插值結果的平均值分別為–0.000 03 (表層Cd)、0.000 14(深層Cd)、0.027 3(表層Cr)、0.067 3(深層Cr)，均接近于0；標準均方根誤差分別為1.001 3(表層Cd)、0.974 2(深層Cd)、0.892 1(表層Cr)、0.953 1(深層Cr)，均比較接近于1，表明普通克里格插值效果較好。由圖5可知，表層Cd元素的水平空間分布格局與成土母質中Cd元素的水平空間分布格局總體上較為相似，Cd含量在泥砂質湖積物母質區域明顯低于泥砂質河谷沉積物母質區域；但表層和成土母質中Cd含量的空間分異強度存在差異，與深層成土母質中Cd空間分布相比，表層Cd含量空間分布圖中圖斑面積較小，并且相對零散，表現出相對顯著的小尺度變異，說明表層土壤中Cd空間分布受到了一定的外在因素影響。Cr在表層土壤中的水平分布格局與在成土母質中的水平分布格局相似度較高，進一步說明了Cr元素主要受成土母質的影響。

2) 表層土壤與成土母質中重金屬含量的定量分析。為了對表層土壤和成土母質中土壤重金屬含量進行相關性分析，本研究利用ArcGIS10.0軟件對深層兩種元素的柵格圖進行提取分析，得到對應表層采樣點位置的深層重金屬含量數據。表3相關系數表明兩種重金屬元素的表層與成土母質中的重金屬含量均表現為在＜0.01水平上顯著相關，相關系數分別為0.167(Cd )、0.639(Cr )。說明表層兩種元素含量都受到成土母質的影響，但Cd元素較Cr元素受成土母質影響相對較小。此外，表層兩種元素含量均值在泥砂質湖積物母質區域明顯低于泥砂質河谷沉積物母質區域，和上文表層、深層土壤重金屬空間分布格局對比分析結果相一致。單因素方差分析中Sig.(方差齊性檢驗)＞0.05，通過了方差齊性檢驗，表明可以進入下一步分析；Sig.(單因素方差分析)＜0.05，表明觀測變量和控制變量之間存在顯著關系。本研究中表層兩種元素Sig.(方差齊性檢驗顯著性)分別為0.627和0.975，Sig.(單因素方差分析顯著性)均為0.00，說明不同成土母質對表層兩種重金屬含量產生了顯著的影響。總體而言，相關性分析和單因素方差分析從縱向和橫向的角度分別闡明了表層兩種重金屬含量主要受成土母質的影響，其中成土母質對表層Cr元素影響更大。

3.3.2 其他相關因素 1) 土壤類型。利用SPSS19.0軟件進行描述性統計分析，得到肇源縣不同土壤類型中表、深層重金屬含量差均值(表4)，Cd_cz在各種土類中的均值大小順序為：鹽土＞沼澤土＞草甸土＞堿土＞黑鈣土＞新積土＞風沙土，除了新積土和風沙土中Cd_cz均值較低，其他土類Cd_cz均值比較相近。由于新積土樣點較少，偶然性可能較大，在此不做探討。Cr_cz在不同土壤類型中的均值大小順序為：沼澤土＞草甸土＞新積土＞黑鈣土＞風沙土＞鹽土＞堿土。其中沼澤土和草甸土中的Cr_cz均值較高，草甸土中Cr_cz均值較高可能與受到外部其他因素的影響有關，而沼澤土中Cr_cz均值可能與表層Cr易遷移匯集于江河和地勢低洼區域有關。

圖5 研究區表層土壤和成土母質重金屬含量空間分布

表3 研究區表層土壤重金屬含量及其與成土母質重金屬含量相關系數

注： *表示在＜0.05水平(單側)顯著相關，**表示在＜0.01水平(單側)顯著相關；下同。

雖然Cr_cz和Cd_cz均值在不同的土類中確實存在差異，但不能直接說明Cr_cz和Cd_cz受土壤類型影響，為了深入探討土壤類型與Cr_cz、Cd_cz的關系，使研究更具精確性和科學性，本研究對Cr_cz、Cd_cz進行插值后與土壤類型圖進行疊加分析。普通克里格插值結果的平均值分別為0.031 6和0.000 007，均接近于0，標準均方根誤差分別為0.965 628 5和1.001 31，均較接近于1，說明普通克里格插值效果比較好。從圖6A研究區中東部Cd_cz均值的空間分布圖與土壤類型圖疊加，發現二者在中東部區域具有較好的吻合性，中東部鹽土、沼澤土以及草甸土中Cd_cz均值較高，黑鈣土中Cd_cz均值較低，其分布與各種土類Cd_cz均值含量高低有較強的一致性，說明中東部Cd_cz值的空間分布主要受土壤類型的影響，而西部以及西南部重金屬流失較為厲害，與土壤類型的關系不明顯；從圖6B研究區Cr_cz均值的空間分布圖與土壤類型圖疊加，發現二者在整個區域具有較好的吻合性，整體Cr_cz值較高的區域都在沼澤土和草甸土中，而黑鈣土和堿土中Cr_cz值較低，同時和整個區域Cr_cz均值有較強的一致性，說明整個研究區Cr_cz均值的空間分布主要受土壤類型的影響。

圖6 研究區表層土壤和成土母質重金屬差值空間分布

表4 研究區不同土壤類型表層與成土母質重金屬含量差均值(mg/kg)

2) 土地利用類型。研究區主要土地利用類型表、深層重金屬含量差值統計結果見圖7。重金屬Cd、Cr表層、深層含量差值均在水域及水利設施用地中最大，在其他3種主要土地利用類型中，重金屬Cd表層、深層含量差值幾乎保持一致；在耕地和草地中，重金屬Cr表層、深層含量差值基本保持一致，但是略高于其他土地中的含量差值。因此，在土地利用類型中，只有水域及水利設施對重金屬含量產生了一定的影響，而另外3種土地利用類型對重金屬含量的影響相對較小。水域及水利設施用地在研究區內主要是內陸灘涂、河流水面和坑塘水面，這些水域及水利設施用地可能影響表層土壤重金屬Cd和Cr的累積。

3) 地形及土壤性質。重金屬流失嚴重區域主要是由遷移導致的，為了更精確地分析重金屬流失嚴重區域表層重金屬的影響因素，選取上文Cd_cz、Cr_cz空間分布圖中重金屬流失嚴重區域的樣點(456個)進行研究。本研究通過ArcGIS10.0 軟件直接從研究區DEM數據中提取主要地形指標因子，包括高程、坡度、坡向、曲率，利用SPSS19.0 軟件對Cd_cz、Cr_cz和主要的地形指標、土壤有機質、pH等指標分別對整個研究區和重金屬流失嚴重區域進行相關性分析。

表5數據顯示，從整個研究區來看，Cd_cz、Cr_cz與有機質呈顯著正相關，與pH呈顯著負相關；在地形指標因子中，坡向對Cd_cz略有影響，而高程、坡度以及曲率對Cd_cz幾乎無影響；曲率對Cr_cz略有影響，其他地形因子對Cr_cz影響較小。重金屬流失嚴重區域較整個研究區而言，Cd_cz和有機質、pH的相關性較低；在地形指標中，高程和坡向的相關性增強；Cr_cz和有機質、pH的相關性提高，而各類地形因子影響較小。綜上，不同尺度下的地形指標、有機質、pH與Cr_cz、Cd_cz相關性存在明顯的差異。重金屬流失嚴重區域，Cd_cz的影響因素復雜，該區域有機質含量較低導致Cd_cz均值較低；地勢高的區段，Cd_cz均值明顯較低，可能和表層Cd元素向下遷移有關；而坡向可能是通過影響植被的生長來影響Cd的遷移及累積(本研究區坡向超過180o，主要為背光坡，背光坡植被長勢明顯低于向光坡)。Cr_cz受地形因素影響在下降，受有機質和pH的影響在增強，說明表層Cr的流失與地形的關系不大，主要與土壤有機質和pH相關。經測定，該區域的有機質和pH分別是整個研究的0.82倍和1.06倍，因此可以認為，表層Cr的流失主要受有機質和pH的影響。

圖 7 主要土地利用類型表層土壤和成土母質重金屬含量差值統計圖

表5 表層土壤重金屬含量差值與各類指標的相關分析

4) 主干道。據相關研究可知，重金屬污染隨著與公路距離的增加而降低，污染集中在道路200 m范圍內[21]。為分析主干道對重金屬含量的影響范圍，本研究對道路分別以50、100、200、300、400、500、1 500 m建立緩沖區，提取緩沖區范圍內的樣點(共127個)進行分析。

為了排除樣點所受異常因素的影響，在相同緩沖區內取相應的樣點，計算數據的均值以及樣點到主干道的平均歐氏距離。在Orgin9.0 軟件中獲取表層重金屬Cd、Cr的含量以及Cd_cz、Cr_cz和距主干道距離的關系圖。如圖8A顯示，在緩沖區范圍內，表層Cd含量的變化趨勢和Cd_cz均值的變化趨勢一致，說明表層Cd含量的變化主要受主干道的影響，在距離主干道0 ~ 600 m內，Cd含量和Cd_cz均值變化幅度較大，其中距離主干道150 m范圍內，Cd含量隨距離逐步增加，之后Cd含量分別在240 m和360 m出現拐點，表明表層Cd的空間分布在局部受主干道的影響較大。如圖8B顯示，在緩沖區范圍內，表層Cr含量在距主干道0 ~ 440 m波動較大，但這不能說明表層Cr含量受主干道的影響，可能還與該區域本底背景值波動較大有關。為了進一步分析Cr_cz均值隨著距主干道距離增大的變化趨勢，在距主干道<80 m時，Cr_cz均值逐步增加，距主干道距離>80 m后，Cr_cz值波動較為平緩，說明表層Cr含量分布在距主干道80 m范圍內受到影響。總體而言，主干道對表層重金屬Cd和Cr的空間分布都產生了一定的影響，但在影響效應上存在差別。同時，該結果為進一步探究主干道對重金屬空間分布的影響提供了指導。

圖8 距主干道距離與表層土壤和成土母質重金屬差值變化關系

5) 行政村點。行政村點分布較為廣泛，可能會對整個研究區重金屬含量空間分布產生影響。因此，本研究對所有采樣點到最近行政村點的距離做統計分析。由于樣點過多以及外部因素的干擾，難以找出對應的函數關系，因此分別以距行政村100、200，…，2 500、3 000 m為劃分標準，取各個范圍內的樣點，計算其含量均值以及到最近行政村的平均歐氏距離；然后，利用SPSS19.0 對數據進行回歸分析，得出肇源縣重金屬Cd_cz和Cr_cz均值與距行政村距離的函數關系。結果顯示，它們的函數擬合值(2)都較低，分別是0.269 83和0.382 29。進一步分析認為，研究區的Cd_cz和Cr_cz均值和距行政村距離遠近的規律性較差。Cd_cz和Cr_cz值總體上分別在0.0125和5上下波動，說明表層兩種重金屬都存在富集狀況，但富集程度較低，受外界因素干擾較小。其中，Cd_cz值較小且在距離行政村點0 ~ 280 m內呈遞增趨勢(圖9A)，Cr_cz值在距行政村點不同距離的變化比較復雜，沒有明顯規律(圖9B)，說明表層Cd的空間分布受到了人為干擾，但僅僅在一定距離下受到人為干擾的可能相對來說較為顯著，而表層Cr的空間分布幾乎不受生活垃圾、污水排放、燃燒取暖等干擾。

圖9 距行政村距離與表層土壤和成土母質重金屬差值函數關系

4 結論

1) 肇源縣表層土壤Cd和Cr含量略高于松嫩平原表層土壤背景值。表層土壤Cr元素的水平空間變異表現出較為明顯的結構性，而Cd元素表現出較為明顯的隨機性；兩種元素的水平空間分布均表現出較為明顯的各向異性，均在45°(東北-西南)和135°(東南-西北)方向上表現出強烈的空間變異結構性。

2) 表層土壤與成土母質中Cd、Cr的空間分布格局及含量特征表明，成土母質是表層土壤中兩種元素的最主要物質來源，對兩種元素的水平空間分布影響最為顯著。

3) 在成土過程及土地利用過程中成土母質類型、土壤類型、土地利用類型和pH也對表層土壤中Cd、Cr的含量及水平空間分布產生了一定程度的影響。表層Cd含量在主干道兩側800 m范圍內，Cr含量在主干道兩側80 m內表現出明顯的空間變異；在距農村居民點280 m范圍內，表層土壤Cd含量產生一定程度的富集；表層土壤Cr元素流失還受有機質、pH等因素的影響。

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Influential Factors of Spatial Distribution of Cd and Cr in Regional Soils

ZHANG Hui, MA Xinpeng*, SHI Xiaolei, SUI Hongjun, SU Hang, YANG Huan

(College of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Influential factors of spatial variabilities and distributions of Cd and Cr were analyzed in topsoils of Zhaoyuan County, a major agricultural county. The results showed that the average concentrations of Cd and Cr in topsoils were 0.078 mg/kg and 46.006 mg/kg, respectively, slightly higher than those of the Songnen Plain; the ratios of nugget/sill were 0.432 for Cd and 0.227 for Cr, respectively, indicating a moderate spatial autocorrelation for Cd and a strong one for Cr. Anisotropy analyses suggested that the spatial autocorrelation of Cd and Cr were dependent on the direction, and there were the most obvious spatial autocorrelation in 45°(northeast-southwest) and 135°(southeast-northwest) direction. Correlation coefficients of Cd and Cr between topsoil and parental material were 0.167 and 0.639, respectively (<0.01). Variance analyses of Cd and Cr in topsoils under different parent materials showed thatvalues were 0.627 and 0.975, respectively, indicated that the spatial distributions of Cd and Cr were dominated by parent material, while also affected by soil type and pH value, land use type and cover type.

Heavy metals; Cd; Cr; Spatial distribution; Influential factors

黑龍江省博士后基金項目(LBH-Z12032)資助。

(xinpeng_ma@163.com)

張慧(1976—)，女，山東金鄉人，博士，副教授，研究方向為土地質量和土地利用。E-mail: 2003zhanghui@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.019

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